我室杜江峰、石发展、谢天宇等人在量子精密测量领域取得重要进展，基于单个金刚石氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心在纳米尺度上实现了亚纳特斯拉灵敏度的磁场测量，并突破了能量分辨极限的限制。该项研究成果以"Sub-nanotesla Sensitivity at the Nanoscale with a Single Spin"为题发表在《National Science Review》。

当今越来越多的科学探索聚焦于研究微观尺度上的现象。磁作为基本物理量之一，与物理、材料、生命等很多现象有关，因此发展微观尺度上的微弱磁信号探测技术至关重要，对空间分辨率和灵敏度指标均有越来越高的要求。例如，磁传感器已被用于寻找标准模型以外的新相互作用，这就需要具有极高灵敏度的微观磁传感器来探索短程的相互作用；在凝聚态领域，观测具有极弱磁化的反铁磁畴和介观超导体的新行为，也有类似的需求；在微观生物学方面，特别是探测亚细胞水平的生化反应和单细胞的核磁成像，需要同时实现亚纳特斯拉的灵敏度和亚微米的空间分辨率。

图1：金刚石中的氮-空位色心作为纳米尺度的磁传感器

 然而，迄今为止磁传感器的空间分辨率和灵敏度尚难以满足上述应用的需求。例如，作为最敏感的磁传感器，超导量子干涉仪（SQUID）可以在宏观尺度实现亚飞特斯拉的灵敏度，但如果缩小其尺寸至微观尺度则灵敏度会大幅下降。另一方面，金刚石中的单个NV色心可以在纳米尺度上进行高空间分辨磁场探测（图1），但其灵敏度却存在不足。由此可见，高灵敏度和高空间分辨率是相互矛盾的，作为一个经验极限，能量分辨率极限(ERL)被提出来定量地描述这一矛盾。其他磁传感器也有类似的规律，其中包括光学泵浦磁强计（OPM）、玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）和NV色心系综等二十几种磁传感器。

针对以上需求，此项工作研究团队通过融合多种量子技术，包括实时反馈电荷态初始化、基于形状脉冲的动力学去耦和重复读出技术等，解决了近表面NV色心的主要缺点，如相干时间短、初始化保真度低和读出效率低等问题，实现了灵敏度的大幅提升。研究团队在实验中使用30-90纳米深度范围的NV色心实现了0.5 nT/√Hz的测磁灵敏度，这是当前单个固态自旋测磁的最高灵敏度，实现了低于能量分辨极限的磁场测量（图2）。

图2：a）NV色心灵敏度与深度的关系；b）不同测磁体系的能量分辨率。

该工作中的磁传感器同时实现了高灵敏度和高空间分辨率，将为探测亚细胞尺度的生命活动、研究凝聚态的微观弱磁现象以及寻找标准模型以外的新物理学等前沿科学探索带来新的手段。未来，通过表面化学处理抑制噪声和用低温抑制自旋晶格弛豫等方法，还有望继续提高灵敏度至皮特斯拉量级。

我室博士生赵致远和博士后叶翔宇为该文并列第一作者，杜江峰院士、石发展教授和谢天宇博士后为论文的共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和安徽省的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad100